Mesures en météorologie [41]

La météorologie est la science qui étudie l’état physique et thermodynamique de l’atmosphère. Les buts principaux de cette science sont la prévision du temps à venir, mais aussi la compréhension des climats. Les prévisions à courte et moyenne échéance -1 à 7 jours- se font à partir de modèles (thermodynamiques et mécanique des fluides) et de mesures de base, essentiellement le vent, la pression, la température et l’humidité, au sol mais surtout en altitude.

Pour les besoins plus locaux de prévision, notamment pour l'agriculture, l'aviation ou le transport, des mesures additionnelles sont très souvent effectuées. L'application visée par le capteur de givre rentre dans ce cadre.

6.2.1 Échelles

Pour expliquer le mouvement de l'air à grande échelle, dénommée synoptique, on a besoin de sept grandeurs, donc de sept équations : en plus des trois grandeurs de position, la pression, la température, la densité de l'air et le contenu en eau. Le problème crucial est que les nombreux termes des équations à résoudre n'agissent pas à la même échelle, ce qui oblige à un maillage resserré forcément coûteux. Ce maillage a été amélioré par les satellites et les radars.

La modélisation à grande échelle prend comme hypothèse que les mouvements de l'air et la condensation se produisent assez lentement pour que la pression, la température et le contenu en eau s'adaptent graduellement. Ce n'est pas vrai pour des échelles plus petites, dites micro-échelles, de l'ordre du kilomètre, et lorsque les mouvements sont rapides. Ainsi, l'hypothèse de l'équilibre hydrostatique n'est pas vraie pour l'eau des orages dans les volumes d'air en ascendance. Cette eau condense plus lentement qu'attendu, les variations de pression et de température sont alors non linéaires. Ces phénomènes font l'objet de recherches.

6.2.2 Mesures

Les mesures synoptiques sont réalisées par un réseau de stations météorologiques de surface, dont le maillage devrait rester inférieur à 150 km selon les recommandations de l’Organisation météorologique mondiale (OMM) et par un réseau de stations aérologiques (mesures in situ par radiosondes principalement) disposées suivant un maillage recommandé de 250 km, qui effectuent des sondages dans la couche d’atmosphère allant du sol jusqu’à 30 km d’altitude. Ces mesures synoptiques sont normalisées et réalisées avec des instruments identiques.

Les grandeurs mesurées sont la pression, la température de l’air et du sol à différents

niveaux, l’humidité de l’air, la force et la direction du vent, les précipitations, les pertes d’eau par évaporation, la durée d’insolation, les rayonnements énergétiques, la visibilité et la hauteur de la base des nuages.

Les mesures en micro-météorologie cherchent à quantifier les interactions entre des basses couches de l’atmosphère et la surface du sol et les éléments qui s’y trouvent (habitations, population végétale, ...). Elles portent essentiellement sur des facteurs intervenant dans les transferts énergétiques et massiques (rayonnement, température, humidité, vent...). Les équipements sont souvent particularisés en fonction du besoin, les mesures sont rarement effectuées en permanence et peuvent utiliser des moyens mobiles pendant des périodes déterminées.

Les stations météorologiques et agro-météorologiques sont équipées de capteurs spécifiques, comme des capteurs de rayonnement solaire ou d’humidité dans le sol. Ces stations sont souvent dotées de moyens de transmission, par le réseau cellulaire GSM ou plus anciennement de mémoires statiques amovibles. Elles sont en général alimentées par un ensemble batterie - panneau solaire.

6.2.3 Les radars météorologiques

Un radar météorologique est utilisé pour localiser les précipitations et mesurer leur intensité en temps réel. La portée est d'environ 100 km pour la mesure et d'environ 200 km pour la détection des phénomènes dangereux. L'antenne parabolique du radar tourne et émet des ondes électromagnétiques, de longueur d'onde fixée entre 5 et 10 cm suivant les modèles, ondes qui sont diffusées par les particules (gouttes de pluie, grêlons ou neige). Les ondes rétrodiffusées vers le radar permettent la localisation par mesure du temps de vol et l'intensité par effet Doppler.

L'étalonnage d'un radar se fait à l'aide des données des stations météorologiques. Les images radar brutes réclament un travail d'interprétation sophistiqué, car elles sont perturbées par différents échos.

6.2.4 Les satellites météorologiques

Ils permettent de recueillir de nombreuses données. On trouve deux catégories de satellites, les géostationnaires et les circumpolaires. Les premiers restant fixes par rapport à la terre, permettent de suivre les mouvements d'air, nous avons tous vu des images de ces satellites lors de la présentation de la météo à la télévision. Ces satellites sont obligatoirement au-dessus de l'équateur, et ne sont pas donc pas adaptés à la surveillance des régions polaires, ils sont de plus à une altitude très élevée. Les seconds ont une orbite à basse altitude d'environ 800 km, plus proche de la surface, ces satellites ont une meilleure résolution. Ils peuvent distinguer plus facilement les détails de température des nuages et leur forme visible. Ils permettent d'étudier les feux de forêt, et des informations sur le vent selon la forme et le déplacement des nuages. Malheureusement, comme ils ne couvrent pas continuellement la même surface terrestre, ils ont un usage plus limité pour surveiller la météo en temps réel.

Ils sont complémentaires des satellites géostationnaires, en effet tous ces satellites passent

dans les zones polaires, « angles morts » pour les géostationnaires. En recoupant les données des différents satellites circumpolaires, on peut avoir de bonnes informations pour ces régions.

Les satellites météorologiques embarquent principalement des radiomètres pour le relevé de températures de l’atmosphère et des hydrométéores (différentes formes que prend l'eau en dehors des nuages, comme la pluie, la grêle) et des sondes pour l'étude de la structure de température et d'humidité.

6.2.5 Cas particulier de la mesure du givre

Nous souhaitons ainsi quantifier les conditions de givrage (non pas la présence d'un dépôt de givre mais sa vitesse de déposition). La mesure peut être soit qualitative, on dispose alors d'un détecteur, soit quantitative, on a alors un capteur. Les problèmes tiennent essentiellement aux différentes formes prises par le givre (au sens commun) et par la non uniformité du givrage (selon les surfaces, le vent, les obstacles).

Les conditions givrantes sont une température négative et une hygrométrie importante ou une présence d'hydrométéore, les mesures peuvent se faire de l'échelle du mètre, à celle de la dizaine de kilomètre. On peut donc soit mesurer un ou plusieurs paramètres de l'air ambiant (humidité de l'air, températures, présence d'hydrométéore), soit quantifier une concentration de particules (mesures de dépôt).

Note : l’hygrométrie caractérise la quantité d'eau sous forme gazeuse présente dans l'air humide alors que l'humidité est la présence d'eau gazeuse ou liquide dans l'air ou dans une substance.

6.2.5.1 Mesures à l'échelle de la dizaine de kilomètres.

Les satellites et plus encore les radars météorologiques fournissent des informations susceptibles de prévoir des conditions givrantes. Des études menées pour l'Administration suédoise des routes (Vägverket) ont montré que les radars permettent la quantification de couches de givre, mais la détermination de condition de givrage fait encore l'objet de recherches. Les ondes radars permettent la localisation des précipitations (chute d'eau liquide ou solide) par mesure du temps de vol et de leur intensité par effet Doppler. Il est possible de détecter aussi bien des chutes de neige, que des paillettes de givre ou la présence d'eau surfondue.

6.2.5.2 Mesures locales par anémométrie laser [42]

L'anémométrie laser à franges est une technique basée sur les interférences d'ondes laser. Un faisceau laser incident est séparé en deux faisceaux qui sont re-combinés à distance après leur avoir fait subir des chemins optiques différents. Les particules circulant dans les volumes d’interférences diffusent vers un détecteur une lumière dont la fréquence de modulation est proportionnelle à leur vitesse (et inversement proportionnelle à l'inter-frange). Le détecteur fournit donc directement une information proportionnelle à la vitesse perpendiculaire aux franges.

Cette technique est couramment utilisée dans les souffleries pour sa bonne résolution

spatiale. Elle est difficile à mettre en œuvre pour des mesures à plusieurs mètres car elle suppose une bonne stabilité des faisceaux (donc pas applicables actuellement pour le transport aérien) et une certaine densité de particules, conditions non réunies en général en altitude.

Cette technique est applicable, pour les applications visées par le capteur à mettre en œuvre, mais elle est coûteuse et le système fragile et peu robuste. Cette technique pourrait être un bon moyen d'étalonnage de capteurs de givre.